第十一章核糖體(ribosome)

1、核糖體的類型與結(jié)構(gòu)核糖體的類型與結(jié)構(gòu) 多聚核糖體與蛋白質(zhì)的合成多聚核糖體與蛋白質(zhì)的合成 核糖體是合成蛋白質(zhì)的細(xì)胞器，其唯一的核糖體是合成蛋白質(zhì)的細(xì)胞器，其唯一的 功能是按照功能是按照mRNA的指令由氨基酸高效且精確的指令由氨基酸高效且精確 地合成多肽鏈。地合成多肽鏈。 核糖體的基本類型與成分核糖體的基本類型與成分 核糖體的結(jié)構(gòu)核糖體的結(jié)構(gòu) 核糖體蛋白質(zhì)與核糖體蛋白質(zhì)與rRNA的功能分析的功能分析 核糖核蛋白體核糖核蛋白體,簡(jiǎn)稱核糖體簡(jiǎn)稱核糖體(ribosome) 基本基本類型類型附著核糖體附著核糖體游離核糖體游離核糖體70S的的核糖體核糖體80S的的核糖體核糖體主要主要成分成分r蛋白質(zhì)：蛋白質(zhì)

2、：40%，核糖體表面，核糖體表面 rRNA:60%，核糖體內(nèi)部，核糖體內(nèi)部結(jié)構(gòu)與功能的分析方法結(jié)構(gòu)與功能的分析方法 蛋白質(zhì)合成過(guò)程中很多重要步驟蛋白質(zhì)合成過(guò)程中很多重要步驟 與與50S核糖體大亞單位相關(guān)核糖體大亞單位相關(guān) 離子交換樹脂可分離純化各種離子交換樹脂可分離純化各種r蛋白；蛋白；純化的純化的r蛋白與純化的蛋白與純化的rRNA進(jìn)行核糖體的重組裝，進(jìn)行核糖體的重組裝， 顯示核糖體中顯示核糖體中r蛋白與蛋白與rRNA的結(jié)構(gòu)關(guān)系的結(jié)構(gòu)關(guān)系雙向電泳技術(shù)可顯示出雙向電泳技術(shù)可顯示出E.coli核糖體在裝配各階段中，核糖體在裝配各階段中， 與與rRNA結(jié)合的蛋白質(zhì)的類型結(jié)合的蛋白質(zhì)的類型雙功能的交聯(lián)

3、劑和雙向電泳分離可用于研究雙功能的交聯(lián)劑和雙向電泳分離可用于研究r蛋白在蛋白在 結(jié)構(gòu)上的相互關(guān)系結(jié)構(gòu)上的相互關(guān)系 電鏡負(fù)染色與免疫標(biāo)記技術(shù)結(jié)合，研究電鏡負(fù)染色與免疫標(biāo)記技術(shù)結(jié)合，研究r蛋白在核糖蛋白在核糖 體的亞單位上的定位。體的亞單位上的定位。 對(duì)對(duì)rRNA，特別是對(duì)，特別是對(duì)16S rRNA結(jié)構(gòu)的研究結(jié)構(gòu)的研究 70S核糖體的小亞單位中核糖體的小亞單位中rRNA與全部的與全部的r蛋白關(guān)系蛋白關(guān)系 的的空間模型空間模型 同一生物中不同種類的r蛋白的一級(jí)結(jié)構(gòu) 均不相同，在免疫學(xué)上幾乎沒(méi)有同源性。不同生物同一種類r蛋白之間具有很高 的同源性， 并在進(jìn)化上非常保守。 蛋白質(zhì)結(jié)合到rRNA上具有先后

4、層次性。 核糖體的重組裝是自我裝配過(guò)程 16SrRNA的一級(jí)結(jié)構(gòu)是非常保守的16SrRNA的二級(jí)結(jié)構(gòu)具有更高的保守性： 臂環(huán)結(jié)構(gòu)(stem-loop structure) rRNA臂環(huán)結(jié)構(gòu)的三級(jí)結(jié)構(gòu)模型 涉及的多數(shù)因子為涉及的多數(shù)因子為G蛋白蛋白(具有具有GTPase活性活性)，核糖體上，核糖體上 與之相關(guān)位點(diǎn)稱為與之相關(guān)位點(diǎn)稱為GTPase相關(guān)位點(diǎn)。相關(guān)位點(diǎn)。最近人們成功地制備最近人們成功地制備L11-rRNA復(fù)合物的晶體，獲得了復(fù)合物的晶體，獲得了 其空間結(jié)構(gòu)高分辨率的其空間結(jié)構(gòu)高分辨率的三維圖象三維圖象。這一結(jié)果證實(shí)了前人用各種實(shí)驗(yàn)技術(shù)所獲得的種種結(jié)論這一結(jié)果證實(shí)了前人用各種實(shí)驗(yàn)技術(shù)所獲

5、得的種種結(jié)論提出直觀、可靠且比人們的預(yù)料更為精巧復(fù)雜和可能的提出直觀、可靠且比人們的預(yù)料更為精巧復(fù)雜和可能的 作用機(jī)制，從而為揭開核糖體這一具有作用機(jī)制，從而為揭開核糖體這一具有30多億年歷史的多億年歷史的 古老的高度復(fù)雜的分子機(jī)器的運(yùn)轉(zhuǎn)奧秘邁出了極重要的古老的高度復(fù)雜的分子機(jī)器的運(yùn)轉(zhuǎn)奧秘邁出了極重要的 一步。一步。 核糖體上具有一系列與蛋白質(zhì)核糖體上具有一系列與蛋白質(zhì) 合成有關(guān)的結(jié)合位點(diǎn)與催化位點(diǎn)合成有關(guān)的結(jié)合位點(diǎn)與催化位點(diǎn) 在蛋白質(zhì)合成中肽酰轉(zhuǎn)移酶的活性研究在蛋白質(zhì)合成中肽酰轉(zhuǎn)移酶的活性研究 與與mRNA的結(jié)合位點(diǎn)的結(jié)合位點(diǎn)與新?lián)饺氲陌滨Ｅc新?lián)饺氲陌滨?tRNA的結(jié)合位點(diǎn)的結(jié)合位點(diǎn)氨?；?/p>

6、點(diǎn)，又稱氨?；稽c(diǎn)，又稱A位點(diǎn)位點(diǎn)與延伸中的肽酰與延伸中的肽酰-tRNA的結(jié)合位點(diǎn)的結(jié)合位點(diǎn)肽?；稽c(diǎn)，又稱肽?；稽c(diǎn)，又稱P位點(diǎn)位點(diǎn)肽酰轉(zhuǎn)移后與即將釋放的肽酰轉(zhuǎn)移后與即將釋放的tRNA的結(jié)合位點(diǎn)的結(jié)合位點(diǎn)E位點(diǎn)位點(diǎn)(exit site)與肽酰與肽酰tRNA從從A位點(diǎn)轉(zhuǎn)移到位點(diǎn)轉(zhuǎn)移到P位點(diǎn)有關(guān)的轉(zhuǎn)移酶位點(diǎn)有關(guān)的轉(zhuǎn)移酶 (即延伸因子即延伸因子EF-G)的結(jié)合位點(diǎn)的結(jié)合位點(diǎn)肽酰轉(zhuǎn)移酶的催化位點(diǎn)肽酰轉(zhuǎn)移酶的催化位點(diǎn)與蛋白質(zhì)合成有關(guān)的其它起始因子、延伸因子和與蛋白質(zhì)合成有關(guān)的其它起始因子、延伸因子和 終止因子的結(jié)合位點(diǎn)終止因子的結(jié)合位點(diǎn) 核糖體蛋白核糖體蛋白 在核糖體中在核糖體中rRNA是起主要作用的

7、結(jié)構(gòu)成分是起主要作用的結(jié)構(gòu)成分r蛋白質(zhì)的主要功能蛋白質(zhì)的主要功能 很難確定哪一種蛋白具有催化功能：很難確定哪一種蛋白具有催化功能： 在在E.coli中核糖體蛋白突變甚至缺失對(duì)蛋白中核糖體蛋白突變甚至缺失對(duì)蛋白 質(zhì)合成并沒(méi)有表現(xiàn)出質(zhì)合成并沒(méi)有表現(xiàn)出“全全”或或“無(wú)無(wú)”的影響。的影響。多數(shù)抗蛋白質(zhì)合成抑制劑的突變株，并非由多數(shù)抗蛋白質(zhì)合成抑制劑的突變株，并非由 于于r蛋白的基因突變而往往是蛋白的基因突變而往往是 rRNA基因突變?；蛲蛔?。 在整個(gè)進(jìn)化過(guò)程中在整個(gè)進(jìn)化過(guò)程中rRNA的結(jié)構(gòu)比核糖體蛋白的結(jié)構(gòu)比核糖體蛋白 的結(jié)構(gòu)具有更高的保守性。的結(jié)構(gòu)具有更高的保守性。 具有肽酰轉(zhuǎn)移酶的活性；具有肽酰

8、轉(zhuǎn)移酶的活性；為為tRNA提供結(jié)合位點(diǎn)提供結(jié)合位點(diǎn)(A位點(diǎn)、位點(diǎn)、P位點(diǎn)和位點(diǎn)和E位點(diǎn)位點(diǎn))；為多種蛋白質(zhì)合成因子提供結(jié)合位點(diǎn)；為多種蛋白質(zhì)合成因子提供結(jié)合位點(diǎn)；在蛋白質(zhì)合成起始時(shí)參與同在蛋白質(zhì)合成起始時(shí)參與同mRNA選擇選擇性地結(jié)合以及在肽鏈的延伸中與性地結(jié)合以及在肽鏈的延伸中與mRNA結(jié)合；結(jié)合；核糖體大小亞單位的結(jié)合、校正閱讀核糖體大小亞單位的結(jié)合、校正閱讀(proofreading)、無(wú)意義鏈或框架漂移的、無(wú)意義鏈或框架漂移的校正、以及抗菌素的作用等都與校正、以及抗菌素的作用等都與rRNA有有關(guān)。關(guān)。 對(duì)對(duì)rRNA 折疊成有功能的三維結(jié)構(gòu)是十分重要的；折疊成有功能的三維結(jié)構(gòu)是十分重要的

9、；在蛋白質(zhì)合成中在蛋白質(zhì)合成中, 某些某些r蛋白可能對(duì)核糖體的構(gòu)象起蛋白可能對(duì)核糖體的構(gòu)象起“微調(diào)微調(diào)”作用；作用； 在核糖體的結(jié)合位點(diǎn)上甚至可能在催化作用中在核糖體的結(jié)合位點(diǎn)上甚至可能在催化作用中, 核核 糖體蛋白與糖體蛋白與rRNA共同行使功能。共同行使功能。 多聚核糖體多聚核糖體(polyribosome或或polysome) 蛋白質(zhì)的合成蛋白質(zhì)的合成 RNA在生命起源中的在生命起源中的地位及其演化過(guò)程地位及其演化過(guò)程 概念概念 核糖體在細(xì)胞內(nèi)并不是單個(gè)獨(dú)立地執(zhí)行功能，而是由多個(gè)核糖體在細(xì)胞內(nèi)并不是單個(gè)獨(dú)立地執(zhí)行功能，而是由多個(gè) 甚至幾十個(gè)核糖體串連在一條甚至幾十個(gè)核糖體串連在一條mRN

10、A分子上高效地進(jìn)行肽分子上高效地進(jìn)行肽 鏈的合成，這種具有特殊功能與形態(tài)結(jié)構(gòu)的核糖體與鏈的合成，這種具有特殊功能與形態(tài)結(jié)構(gòu)的核糖體與 mRNA的聚合體稱為的聚合體稱為多聚核糖體多聚核糖體。 多聚核糖體的生物學(xué)意義多聚核糖體的生物學(xué)意義細(xì)胞內(nèi)各種多肽的合成，不論其分子量的大小細(xì)胞內(nèi)各種多肽的合成，不論其分子量的大小 或是或是mRNA的長(zhǎng)短如何，單位時(shí)間內(nèi)所合成的的長(zhǎng)短如何，單位時(shí)間內(nèi)所合成的 多肽分子數(shù)目都大體相等。多肽分子數(shù)目都大體相等。以多聚核糖體的形式進(jìn)行多肽合成，對(duì)以多聚核糖體的形式進(jìn)行多肽合成，對(duì)mRNA 的利用及對(duì)其濃度的調(diào)控更為經(jīng)濟(jì)和有效。的利用及對(duì)其濃度的調(diào)控更為經(jīng)濟(jì)和有效。 生

11、命是自我復(fù)制的體系生命是自我復(fù)制的體系 DNA代替了代替了RNA的遺傳信息功能的遺傳信息功能蛋白質(zhì)取代了絕大部分蛋白質(zhì)取代了絕大部分RNA酶的功能酶的功能 三種生物大分子，只有RNA既具有信息載體 功能又具有酶的催化功能。因此，推測(cè)RNA 可能是生命起源中最早的生物大分子。核酶(ribosome)：具有催化作用的RNA。由RNA催化產(chǎn)生了蛋白質(zhì) DNA雙鏈比RNA單鏈穩(wěn)定； DNA鏈中胸腺嘧啶代替了RNA鏈中的尿嘧啶，使之易于修復(fù)。 蛋白質(zhì)化學(xué)結(jié)構(gòu)的多樣性與構(gòu)象的多變性；蛋白質(zhì)化學(xué)結(jié)構(gòu)的多樣性與構(gòu)象的多變性；與與RNA相比，蛋白質(zhì)能更為有效地催化多種生相比，蛋白質(zhì)能更為有效地催化多種生化反應(yīng)，

12、并提供更為復(fù)雜的細(xì)胞結(jié)構(gòu)成分，逐漸化反應(yīng)，并提供更為復(fù)雜的細(xì)胞結(jié)構(gòu)成分，逐漸演化成今天的細(xì)胞。演化成今天的細(xì)胞。 原核生物與真核生物核糖體成分的比較原核生物與真核生物核糖體成分的比較 E.coli核糖體小亞單位中核糖體小亞單位中rRNA與與r蛋白的相互關(guān)系示意圖蛋白的相互關(guān)系示意圖線條表示相互作用及作用力的強(qiáng)（粗線）與弱（細(xì)線） （引自Alberts et al，1989） E.coli （a）核糖體小亞單位中的部分r蛋白與rRNA的結(jié)合位點(diǎn)） （b）及其在小亞單位上的部位 （引自Albert et al.，1989，圖a; Lewin,1997,圖b） 核糖體小亞單位核糖體小亞單位rRNA的

13、二級(jí)結(jié)構(gòu)的二級(jí)結(jié)構(gòu)(a) E.coli 16S rRNA；（紅色為高度保守區(qū)）(b) 酵母菌18S rRNA，它們都具有類似的40個(gè)臂環(huán)結(jié)構(gòu)(圖中140)，其長(zhǎng)度和位置往往非常保守；P、E分別代表僅在原核或真核細(xì)胞中存在的rRNA的二級(jí)結(jié)構(gòu)。(Darnell et al.，1990)L11-rRNA復(fù)合物的三維結(jié)構(gòu)復(fù)合物的三維結(jié)構(gòu)(引自Porse et.al.,1999)l判斷題：判斷題：l1.原核生物和真核生物的核糖體亞單位雖不同，但兩者形成原核生物和真核生物的核糖體亞單位雖不同，但兩者形成的雜交核糖體仍能進(jìn)行蛋白質(zhì)合成。（的雜交核糖體仍能進(jìn)行蛋白質(zhì)合成。（ ）l2.同一有機(jī)體的不同組織細(xì)胞

14、核仁的大小和數(shù)目都有很大的同一有機(jī)體的不同組織細(xì)胞核仁的大小和數(shù)目都有很大的變化，這種變化和細(xì)胞中蛋白質(zhì)合成的旺盛程度有關(guān)。（變化，這種變化和細(xì)胞中蛋白質(zhì)合成的旺盛程度有關(guān)。（ ）l3.不同的核糖體蛋白之間一級(jí)結(jié)構(gòu)有很大不同，但在不同物不同的核糖體蛋白之間一級(jí)結(jié)構(gòu)有很大不同，但在不同物種中同一種種中同一種r蛋白之間高度同源，說(shuō)明核糖體可能來(lái)自一個(gè)共蛋白之間高度同源，說(shuō)明核糖體可能來(lái)自一個(gè)共同祖先，且在進(jìn)化上非常保守。（同祖先，且在進(jìn)化上非常保守。（ ）l4.直徑約為直徑約為15nm的核糖體的亞基是通過(guò)直徑約為的核糖體的亞基是通過(guò)直徑約為9nm的核孔的核孔運(yùn)輸?shù)桨|(zhì)中的。（運(yùn)輸?shù)桨|(zhì)中的。（ ）（中國(guó)科學(xué)院）（中國(guó)科學(xué)院2006）l選擇題：選擇題：核糖體小亞單位的核糖體小亞單位的S6蛋白是（蛋白是（ A）A.初級(jí)結(jié)合蛋白初級(jí)結(jié)合蛋白 B.次級(jí)結(jié)合蛋白次級(jí)結(jié)合蛋白 C.6S分裂蛋白分裂蛋白 D. 6S核心蛋白核心蛋白 名詞解釋：名詞解釋：1.核糖體核糖體 2.多聚核糖體多聚核糖體 3.rRNA 4.核酶核酶l1.